一种微混电动车起停系统及其对车辆性能影响的分析

李聪聪，陈 强，喻 凡，陈振辉，周国清，李 君

(1.上海交通大学，汽车电子控制技术国家工程实验室，上海 200240; 2.联合汽车电子有限公司，上海 201206)

前言

混合动力汽车(HEV)由传统内燃机和电力驱动系统共同驱动，通过先进的车辆控制系统，可提高整车经济性能和降低排放。受益于环境保护的压力、不断上涨的能源价格、更加严格的排放标准和节能目标，HEV得到了各国政策的支持、引导和各厂商的大力推广［1］，成为现阶段新能源汽车中最具竞争力和市场前景的汽车之一。

与强HEV和轻HEV相比，虽然微HEV系统(起停系统)的混合程度和节油率不及前者，但因成本低和对现有系统改动小等优点，使其具有很好的应用前景，见表1。

表1 各种混合动力系统比较［2－4］

国内外典型市区工况的车辆怠速油耗占总油耗的比例十分可观;如欧洲城市道路行车工况(ECE)，车辆平均停车怠速时间约占总行车时间的28%，怠速油耗约占总油耗的17%。根据Bosch公司估计，在理想工况下，采用起停系统后可达到高于15%的节能减排率;而实际的市区工况往往更加拥堵，起停系统可以有更大的发挥空间。

基于以上背景，本文中系统介绍了一种主流的微HEV起停系统，分析了其对车辆各种性能的影响，最后结合出台的相关政策对该系统的应用前景作出展望。

1 起停系统概述

1.1 起停系统工作原理

起停系统工作原理见图1［5］。

车辆遇红灯开始停车，系统通过传感器和开关采集驾驶员的操作信息(如踩制动踏板，挂空挡和松离合器踏板等)以判断驾驶员停车意图，在整车状况满足发动机熄火的条件下，系统将自动控制发动机熄火，转入等待车辆再次起动状态;当判断出驾驶员起动意图时(踩离合器踏板、挂挡等)，迅速接通起动机起动发动机。

1.2 起停系统的分类和应用

微HEV起停系统有3种主流技术方案:(1)采用皮带传动式集成起动/发电机(BSG);(2)采用独立的增强型起动电机(ESM)和发电机;(3)利用缸内直喷技术(GDI)起动发动机［6］。前两种方案结构示意图见图 2 和图 3［7］。

BSG 起停系统［3，8-9］中的 BSG 电机布置在发动机前端，通过皮带传动机构和发动机连接，既可在热机起动时作为起动机，又可取代原有发电机的功能，进而实现混合动力系统的一体化。但BSG系统一般须保留传统起动机，以保证低温起动时的可靠性。

ESM起停系统采用ESM起动电机在原有位置代替传统起动机，发动机前端轮系无须改动，即可保证起动机起动次数、速度、功率和寿命等方面更高的要求。同时通过换装成本较低和发电效率更高的智能型发电机，可在原有基础上进一步提高1% ～2%的节油率。ESM电机虽因和发动机之间采用直接齿轮啮合，在平顺性和噪声等方面比皮带传动略有不足，但在整体成本、冷起动能力、ECU功能集成性和使用排量范围等方面却具有优势。

BSG和ESM系统均能很好地兼容机械式自动变速器，如AMT和DCT，而与AT和CVT等液力自动变速器匹配时，由于起动时液力变矩器储备液压不足(液压的获得依赖发动机工作时带动油泵)，从而导致变速器换挡迟滞。为消除此弊端，须额外加装电动油泵或者液压储能装置。

GDI的起停系统有一种方案是在发动机停止或者起动时，将活塞调整到恰当的位置，当接到重新起动信号时，将少量燃油直接喷射到压缩行程气缸中，然后点火以产生向下的活塞压力使曲轴反转;反转时原膨胀行程的气缸进入压缩行程，待其达到合适的点火角点火，使曲轴正转进而起动发动机。和前两种方案相比，GDI起停方案起动速度更快(300ms左右)和更安静，是未来起停技术发展的新方向。本文中主要介绍ESM起停系统。

2 ESM起停系统组件

ESM系统主要由发动机控制单元(ECU)、ESM起动电机、(智能)发电机、AGM电池、电池传感器(EBS)、DC/DC、起停主开关和人机界面，以及曲轴、轮速、踏板和制动真空度等传感器组成。

车辆装配起停系统之后，热起动次数大幅增加，对起动机起动性能和耐久性提出了更高要求。ESM电机通过优化轴承和轮系之间的啮合，可达到大约30万次的起动能力;通过增加接合缓冲弹簧，降低了起动噪声，提高了起动的平顺性;通过提高磁极磁性，增强了输出功率和快速起动能力，可在短时间内将发动机转速提升到300r/min左右，然后开始喷油点火，整个起动时间控制在400ms左右。

频繁的起动会造成电池充放电次数的增加，因而对电池充放电能力提出了更高要求。ESM系统通常采用 AGM 电池［5，10］，相比普通富液型铅酸电池，最大的不同在于正负极之间采用具有优良吸收性和多孔性的玻璃纤维作为电解液载体，不但稳定还能提高水合氧分子在电解液中的穿透能力，进而提高电池内部的化学反应效率，因而具有更好的深循环性能、2倍以上的生命周期和1.5倍以上的起动放电能力。

电池荷电状态(SOC)满足一定水平是起停系统正常工作的前提之一;此外电池的功能状态(SOF)和老化状况(SOH)也会不同程度地影响系统的正常工作。因此，通常在电池负极加装EBS，通过采集负极电流、电压和温度等信息，实时计算SOC、SOF和SOH，并通过LIN线与ECU或者其它控制器(xCU)实现通信。智能发电机工作原理如图4所示。

从图4可看出，ECU根据加速少发电和减速多发电的基本原则，结合EBS反馈的SOC和车辆的行驶信息进行发电时机控制;并通过调整电压控制信号，实时控制发电强度;与此同时，发电机将发电负荷通过LIN信号反馈给ECU，以提高发动机需求转矩的计算精度，保证发动机运行的平顺性。

由于发动机起动电流很大，会导致电路大幅度降压，并产生相应的电压波动，此时须要电压稳定器给收音机、导航仪等电压敏感型通信和娱乐设备提供稳定的电压环境。电压稳定器本质上是一个DC/DC转换器。

驾驶室的起停系统主开关可满足驾驶员根据驾驶风格和实际需要，人为禁用/激活起停功能;同时也可通过多功能仪表板上起停系统指示灯，直观了解系统当前的工作状态。如采用指示灯的亮灭对应于起停功能的开启和关闭，采用不同色彩的指示灯可传递更多的起停系统状态。一个简单的起停系统指示灯跳变示例见图5，其中仪表板有4种起停指示灯色彩，分别对应不同的起停状态和触发原因。

3 ESM起停系统通信

起停系统的功能实现须要与车辆的其它部件和子系统交互信息、相互协作。图6分别为ESM起停系统两种结构示意图:在ECU资源充分的情况下，起停功能可由ECU单独实现(标准型);但是对于已经具有复杂功能的发动机，ECU资源紧张，或者在须要实现复杂整车能量控制等附加功能的情况下，起停功能的部分输入输出可借助xCU通过CAN通信实现(扩展型)。

扩展型ESM起停系统数据通信结构见图7。ECU起停协调单元根据与之相关的信号(如xCU发出的车辆层禁止自动停机或者请求重新起动的信号)，经过控制策略的加工处理，转化为发动机自动停机或者自动起动的需求，再与xCU通信，进而控制执行器完成相应的起停功能。

4 ESM起停系统控制策略

起停系统控制策略应在保证安全和舒适性的前提下，通过监测车辆状态和驾驶员的操作，正确判断起停意图并在合适的时机发出自动停机或自动起动指令［8］，同时确保执行过程中和其它子系统之间协调工作。

起停控制结构是一个复杂的多输入多输出系统，通过将其解耦为起停条件汇总、起停需求判定和起停协调策略3个相对独立的模块，进而实现复杂的起停控制策略，见图8。

起停条件汇总模块采集车辆和发动机的各种相关信息，并将其归纳成自动起动禁止、自动停机禁止、起停功能禁用和车辆层自动起动需求等条件。

起停需求判定模块采集驾驶员对踏板、挡位和开关操作，以及车辆层起动需求，并根据当前的起停状态可生成相应的起停需求。比如手动挡车辆，在前提条件满足的情况下，变速器挂空挡且离合器踏板被松开可用来判断驾驶员的停机需求，而离合器踏板被重新踩下则可用来判断驾驶员的起动需求;自动挡车辆，制动踏板的踩下和松开可分别用来判断驾驶员的停机和起动需求。

起停协调模块综合前两个模块输出的起停禁止条件和起停需求，并根据车辆和发动机的当前状态，使用状态机方式实现起停控制各状态之间的切换，并输出自动起动/停机指令。

图9为起停协调策略状态机的一个简单示例。将起停发动机的不同状态简化为6种，各状态之间依据相应的触发条件进行跳转。其中，除禁用状态之外，其它状态都是起停功能开启后的状态;而待机状态代表ECU已加电但发动机尚未起动的状态。

5 ESM系统对车辆性能的影响

5.1 驾驶性

快速响应驾驶员的起动需求和不影响正常的驾驶习惯是起停系统存在的前提条件。控制面板上的起停主开关为驾驶员根据个人偏好对系统进行选择提供了方便，而起停系统所能达到的最佳工作品质还应包括在开启时，让驾驶员感觉不到其存在，因而起动速度十分重要。

ESM电机和传统起动机的冷机起动速度(时间)对比见图10。

从图10可看出，ESM电机和传统起动机相比，在起动速度和平顺性方面均有所提高，同时也为改善车辆的起动性能提供了基础。

在实际驾驶实践中，有时驾驶员在完成停止发动机的操作后，又改变主意，想重新起动发动机。此时，传统起动机只能在发动机停稳之后重起车辆，这势必增加驾驶员的起动等待时间。为此，一种在发动机尚未停稳之前重新快速起动的功能(Change of Mind)［3］应运而生，图11示出这种功能的工作原理。图中的状态3是传统发动机的状况;而具有重新快速起动功能的ESM系统通过控制策略升级，允许发动机在一定转速范围内自行重起(状态1)，其将来发展趋势是在更低的转速范围内通过与ESM电机啮合并由后者带动重新起动(状态2)。

5.2 燃油经济性和排放

为了验证起停系统对经济性和排放性能的影响，首先建立起停系统燃油经济性计算模型;然后针对起停功能关闭和开启的情况，在转鼓试验台上进行了燃油消耗量和排放污染物的检测试验，并对模型精度进行了验证。

试验车辆均由普通车辆加装ESM系统改造完成。测试工况参考GB18352.3—2005轻型汽车污染物排放限值及测量方法，采用4次ECE工况加1次NEDC工况(新欧洲混合行车工况)进行试验［11］。NEDC工况起停系统燃油经济性计算模型中停机时间计算公式为

式中:Tidle为计算停机时间;T1为车速等于0的时间;T2为因发动机水温过低而禁止自动停机的时间;T3为车速从自动停机触发限值到停稳的短时间段，根据ECU停机触发策略，由于NEDC规定的离合器踏板操作已在车速降至限值之前完成，车速限值即为自动停机触发条件;T4为驾驶员从踩下离合器踏板到车辆起动(车速不为0)的短时间段，根据ECU的起动触发策略，NEDC规定的车辆起动前离合器踏板操作会触发发动机自行起动;Nstop为自动停机次数。燃油经济性计算公式为

式中:nidle为平均怠速转速;Vinj为每次喷射的平均进气量;λ 为理论空燃比;ρfuel、ρair分别为燃油与空气密度;cinj为每次喷射的燃油消耗量;csec为每秒的理论燃油消耗量;η为考虑怠速喷油加浓和电池充电消耗等因素的折算系数;cfe为计算100km节油量;Dnedc为NEDC理论行驶距离。

根据以上公式，采用真实的发动机数据，得到不同排量车型起停系统开启后燃油经济性提高的计算值，对比实验测试数据，计算模型精度较高，甚至优于一些仿真软件，见表2。

表2 NEDC工况ESM起停系统燃油经济性*

从表2可看出，在中小排量范围内起停技术对燃油经济性的贡献随排量增加而提高，而对于大排量车型，这种趋势将更加明显。这是因为排量越大，绝对进气量越大，标准怠速时须要克服的倒拖转矩(主要由气体压缩阻力矩和机械摩擦阻力矩组成)也相应增大，因而对发动机本身将提出更多的燃油消耗需求，所以起停系统的节油效果会更加明显。

选取表2中的1.8L车型进一步分析。为了防止因发动机水温过低造成排放恶化等问题，起停系统在水温尚未升至最低温度之前被禁止。从第1个ECE循环最后1次停车到整个NEDC循环结束，起停系统共自动停机11次，自动起动10次，见图12。

通过调整式(1)中参数T1、Nstop可计算出ECE工况的100km燃油经济性提高值;加入T2进一步调整，可得出热机状态下的对比值，见表3。

表3 ECE工况ESM起停系统燃油经济性

从表3可看出，相比NEDC综合工况，在代表市区工况、起停更加频繁的ECE工况，起停系统的节油潜力进一步发挥，热机状态下超过了10%。

起停功能开启、关闭状态排放物对比见图13。

从图13可看出，起停功能开启后各种排放物水平均有一定程度降低。CO2排放在自动停机时停止，而CO、HC和NOx的排放主要集中在第1个ECE循环，此时发动机仍处于冷机状态，三效催化转化器温度也比较低;经过1个ECE循环，发动机处于热机状态，催化转化器温度已处于合适范围，污染物的转换效果明显提高。具体的排放累计值对比见表4。

表4 污染排放物累计值对比

6 结论

通过建模计算和试验验证，采用起停系统可使100km油耗减少3% ～6%，主要污染物的排放降低5%～20%，且随着排量增大和路况的复杂化，会进一步发挥其节能减排的潜力。

随着节能政策的推进，短期内起停系统会得到进一步的推广和普及。从长期来看，效仿欧洲OEM的做法，将起停系统纳入标配的范畴，是未来发展的必然趋势。

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